Химическая энциклопедия - диффузия

(от лат. diflusio распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотич. тепловым движением молекул (атомов) в одно-или многокомпонентных газовых либо конденсир. средах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии; в последнем случае процесс наз. самодиффузией (см. ниже). Различают Д. коллоидных частиц (т. наз. броуновская Д.), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и др.; о переносе частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная Д.) см. Массообмен. Переноса процессы, о Д. частиц в турбулентных потоках см. Турбулентная диффузия. Все указанные виды Д. описываются одними и теми же феноменологич. соотношениями.

Основные понятия. Главной характеристикой Д. служит плотность диффузионного потока J кол-во в-ва, переносимого в единицу времени через единицу площади пов-сти, перпендикулярной направлению переноса. Если в среде, где отсутствуют градиенты т-ры, давления, электрич. потенциала и др., имеется градиент концентрации с( х, t), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х(одномерный случай) в момент времени t, то в изотропной покоящейся среде

J = -D( дс/ дх), (1)

где D - коэффициент Д. (м ²/с); знак "минус" указывает на направление потока от больших концентраций к меньшим. Пространственно-временное распределение концентрации:

Ур-ния (1) и (2) наз. первым и вторым законами Фика. Трехмерная Д. [с ( х, у, z; t)] описывается ур-ниями:

J = -D grad c (3)

где J вектор плотности диффузионного потока, grad градиент поля концентрации. Перенос частиц в среде осуществляется как последовательность их случайных перемещений, причем абс. величина и направление каждого из них не зависят от предыдущих. Диффузионное движение в среде каждой частицы обычно характеризуют среднеквадратичным смещением L² от исходного положения за время t. Для трехмерного пространства справедливо первое соотношение Эйнштейна: L² = GDt. Т. обр., параметр Dхарактеризует эффективность воздействия среды на частицы. В случае Д. в многокомпонентных смесях в отсутствие градиентов давления и т-ры (изобарно-изотермич. Д.) для упрощения описания взаимного проникновения компонентов при наличии градиентов их концентраций вводят т. наз. коэффициенты взаимной Д. Напр., при одномерной Д. в двухкомпонентной системе выражение для диффузионного потока одного из компонентов принимает вид:

где c1 + с 2 =const, D12 = D21 коэф. взаимной Д. обоих компонентов. В результате неравномерного нагревания среды под влиянием градиента т-ры происходит перенос компонентов газовых или жидких смесей термодиффузия (в р-рах эффект Соре). Если между отдельными частями системы поддерживается постоянная разность т-р, то вследствие термодиффузии в объеме смеси появляются градиенты концентрации компонентов, что инициирует обычную Д. Последняя в стационарном состоянии (при отсутствии потока в-ва) уравновешивает термодиффузию, и в системе возникает разность концентраций компонентов. Это влияние лежит в основе одного из методов разделения изотопов, а также термодиффузионного разделения нефтяных фракций. При внеш. воздействии на систему градиента давления или гравитац. поля возникает бародиффузия. Примеры: диффузионное осаждение мелких взвешенных частиц при столкновении их с молекулами газа (см. Пылеулавливание); баромембранные процессы обратный осмос, микрои ультрафильтрация (см. Мембранные процессы разделения, Осмос). Действие на систему внеш. электрич. поля вызывает направленный перенос заряженных частиц электродиффузию. Примеры: электромембранные процессы, напр., электродиализ разделение под действием электрич. тока ионизированных соед. вследствие избират. переноса ионов через ионообменные мембраны; Д. носителей заряда перемещение электронов проводимости и дырок, обусловленное неоднородностями их концентрации в полупроводниках. Математически законы Фика аналогичны ур-ниям теплопроводности Фурье. В основе такой аналогии лежат общие закономерности необратимых процессов перераспределения интенсивных параметров состояния (концентрации, т-ры, давления и др.) между разл. частями к.-л. системы при стремлении ее к термодинамич. равновесию. При малых отклонениях системы от него эти закономерности описываются линейными соотношениями между потоками физ. величин и термодинамич. силами, т. е. градиентами параметров, вызывающими указанные отклонения. В частности, диффузионный поток частиц данного типа, помимо градиентов концентраций частиц каждого типа, может при соответствующих условиях в большей степени определяться градиентами др. интенсивных параметров и внеш. силами. В общем виде связь между потоками и силами описывается феноменологич. ур-ниями термодинамики необратимых процессов. Напр., в случае электронейтральной бинарной газовой системы при наличии градиента т-ры дТ/дх, градиента давления др/дх и градиента электрич. потенциала дj/ дx выражение для диффузионного потока частиц с зарядом